论文部分内容阅读
电化学超级电容器(Electrochemical Super Capacitor, ESC),作为一种性能介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,由于其充放电速率快,效率高,对环境无污染,循环寿命长等优异性能而受到世界范围内的广泛关注,具有广阔的应用前景。电极材料的选择对电化学超级电容器的制备及性能的影响至关重要。作为一类主要的电极材料,碳系材料的发展先后出现了多孔碳材料、活性碳材料、炭气凝胶、碳纳米管(CNT)及最近研究热点的石墨烯。其中CNT自1991年被Iijima发现以来,就以其超强的力学性能,极高的长径比,较高的化学及热稳定性,超强的导电性能、储氢能力、吸附能力及其独特的结构而得到世界范围内的广泛关注。然而经石墨电弧法、化学气相沉积法及激光蒸发法制备的CNT在宏观观察下均呈超细粉状,由于其表面惰性、尺寸效应而影响其优势的发挥。如果能将其制备成宏观体,如碳纳米管网、碳纳米管薄膜等,则可有效解决此问题。碳纤维由于其孔隙发达及比表面积大而成为一种典型的电极材料。而石墨烯的高比表面积,良好的导电性能也让其成为电极材料的选择之一。单一碳材料作为电极材料时,由于比表面积及孔径结构等的影响,一定程度上将限制其超级电容器的性能。而采用碳材料彼此的复合,可同时提高材料的比表面积及电学性能,从而提高其电化学性能。本文主要研究了碳纳米管网及碳系三元复合材料的制备及电化学性能,采用扫描电镜、吸脱附曲线等测试手段,对材料形貌及结构进行了表征；采用循环伏安、恒流充放电、循环寿命和电化学交流阻抗等测试方法,讨论所制备材料作为超级电容器电极材料时的电化学性能。具体研究内容如下：1.采用明胶法将实验室自制的超细粉状CNT制备成明胶式碳纳米管网前驱体(g-CNTNp)及明胶式碳纳米管网(g-CNTN),对两者的电化学性能进行测试,实验结果表明,g-CNTN具有更加优异的电化学性能,比容量达158.1F·g-1(有机电解液)。2.采用界面静置法将超细粉状CNT制备成碳纳米管网前驱体(i-CNTNp),经过后续处理后,得到碳纳米管网(i-CNTN),对两者的电学、力学及电化学性能进行表征,实验结果表明,i-CNTN具有更加优异的电学、力学及电化学性能,在有机电解液中的比容量达104.0F·g-1。3.将商用碳纤维进行纯化处理,得到纯化碳纤维(pCF),通过化学气相沉积法(CVD)在其表面原位生长CNT,得到碳系二元网络复合材料(pCF/CNT)再经过进一步原位复合,在pCF/CNT的表面原位复合石墨烯(HRG),得到碳系三元网络复合材料(pCF/CNT/HRG)。对比三者的电学、电化学性能,结果表明pCF/CNT/HRG具有更加优异的电学及电化学性能,其比容量达220.3F·g-1(有机电解液)。